基于PLC控制的模塊化液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)*

吳金文，韓 雪，諸 劍

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211112）

基于PLC控制的模塊化液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)*

吳金文，韓 雪，諸 劍

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211112）

隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，液壓與氣動(dòng)的應(yīng)用也得以不斷延伸，高校液壓課程實(shí)踐教學(xué)的要求也在日益提高，而傳統(tǒng)的液壓試驗(yàn)臺(tái)多采用繼電器等元件進(jìn)行控制，存在可靠性，靈活性差等缺點(diǎn)。文章在傳統(tǒng)控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)基于PLC控制的多功能液壓教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，擴(kuò)大液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能范圍，提高控制系統(tǒng)的柔性，有利于培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)電液綜合控制等方面的綜合能力，方便學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握用PLC控制各種液壓回路的技術(shù)。

PLC；液壓；電氣

液壓傳動(dòng)課程是由基礎(chǔ)理論、液壓元件、液壓系統(tǒng)三部分組成，而液壓系統(tǒng)的回路設(shè)計(jì)非常靈活和重要。所以，液壓回路設(shè)計(jì)是液壓傳動(dòng)課程教學(xué)的一個(gè)重要組成部分，液壓實(shí)驗(yàn)裝置也是培養(yǎng)學(xué)生技能水平和創(chuàng)新能力的載體。文章根據(jù)要求研發(fā)出能適應(yīng)理工科及大中專(zhuān)院校機(jī)電自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的《液壓與氣壓傳動(dòng)》、《PLC可編程序控制器原理及應(yīng)用》等相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也可作為機(jī)、電、液控制多元化的綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)。學(xué)生通過(guò)課程設(shè)計(jì)及操作實(shí)驗(yàn)，可以更形象、更準(zhǔn)確地深入了解和掌握液壓元件的結(jié)構(gòu)、液壓基本回路的控制原理及設(shè)計(jì)方法等。也能通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)，掌握PLC可編程序控制的功能，控制原理及編程技巧。

1 實(shí)驗(yàn)裝置總結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該實(shí)驗(yàn)裝置由機(jī)械部分、電氣控制部分、液壓模塊、PLC控制模塊四個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。實(shí)驗(yàn)工作平臺(tái)由實(shí)驗(yàn)工作面板、實(shí)驗(yàn)桌、實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)等組成。安裝面板為帶“T”槽的鋁合金板材結(jié)構(gòu)，每個(gè)液壓元件均配有油路過(guò)渡底板，可以很方便的在實(shí)驗(yàn)面板上安裝用來(lái)搭接實(shí)驗(yàn)回路。系統(tǒng)的額定工作壓力6.3MPa，由定量齒輪泵和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為實(shí)際的液壓系統(tǒng)提供一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，既達(dá)到了液壓傳動(dòng)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模旨骖櫫藢?shí)用性。同時(shí)還可以做PLC液壓控制液壓回路實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)為單側(cè)布置，可供一組學(xué)生進(jìn)行操作和實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)元件均為獨(dú)立組件，應(yīng)用橡膠軟管由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、組裝實(shí)驗(yàn)回路。每個(gè)工位都有液壓油的供給/回油接口、壓力測(cè)試接口和實(shí)驗(yàn)回路的電氣控制輸入/輸出接口等，具有多種功能并可擴(kuò)展。

圖1 多功能液壓實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

實(shí)驗(yàn)面板上側(cè)是四組繼電器控制區(qū)域、兩組時(shí)間繼電器控制區(qū)域、系統(tǒng)手動(dòng)啟閉控制按鈕以及液壓站調(diào)速控制與轉(zhuǎn)速顯示區(qū)域，電氣系統(tǒng)采用了安全24伏控制電壓，實(shí)驗(yàn)面板右側(cè)是PLC控制區(qū)域，采用的是西門(mén)子S7-200CPU224AC/DC/RLY型號(hào)。此PLC擁有14輸入和10輸出，可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能控制功能，同時(shí)以液壓回路為控制對(duì)象，增加對(duì)PLC控制可編程序控制器的學(xué)習(xí)與工程應(yīng)用，同時(shí)實(shí)驗(yàn)的控制部分也可以采用獨(dú)立的繼電器控制單元進(jìn)行電氣回路控制，通過(guò)兩者的比較，體會(huì)PLC可編程序控制的智能性和先進(jìn)性，加深對(duì)PLC編程的學(xué)習(xí)和掌握。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)可完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：①常用液壓元件的性能測(cè)試；②液壓傳動(dòng)16種基本回路的演示實(shí)驗(yàn)；③學(xué)生自行設(shè)計(jì)、組裝的擴(kuò)展液壓回路實(shí)驗(yàn)（可擴(kuò)展60余種）；④可編程序控制器（PLC）控制實(shí)驗(yàn)，機(jī)電液多元控制形式。

2 實(shí)驗(yàn)裝置電氣控制模塊

本液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)根據(jù)具體的液壓回路實(shí)驗(yàn)要求，選擇對(duì)應(yīng)的液壓元件組合成具體的液壓回路，同時(shí)通過(guò)電氣部分的控制來(lái)完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模哂卸喾N控制形式，不僅能完成液壓常規(guī)實(shí)驗(yàn)，還能完成部分與液壓技術(shù)相關(guān)的機(jī)電一體化控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)。電氣控制部分分為繼電器控制部分，時(shí)間繼電器控制部分，還有液壓泵電機(jī)控制部分及相關(guān)的轉(zhuǎn)速顯示表。這部分是通過(guò)手動(dòng)控制繼電器輸入或者由時(shí)間繼電器設(shè)置好時(shí)間，由繼電器開(kāi)關(guān)控制液壓回路中的電磁閥得電，從而來(lái)控制液壓回路中各執(zhí)行元件的動(dòng)作。具體繼電器控制部分的電路如圖2、圖3所示。

圖2 繼電器輸出控制電氣原理接線(xiàn)圖

圖3 繼電器控制主電路輸入電氣原理接線(xiàn)圖

3 實(shí)驗(yàn)裝置液壓模塊

液壓裝置按其總體配置分為分散配置型和集中配置型兩種主要結(jié)構(gòu)類(lèi)型，而集中配置型即為通常所說(shuō)的液壓站。本設(shè)計(jì)的液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用集中配置型液壓裝置，它是將液壓系統(tǒng)的執(zhí)行器安放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，而將液壓泵及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輔助元件等獨(dú)立安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)之外，即集中設(shè)置所謂液壓站。此實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)是將液壓站設(shè)置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)左下方側(cè)，作為執(zhí)行器的液壓缸置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)鋁制實(shí)驗(yàn)板上，液壓站通過(guò)管路將液壓油傳遞至液壓缸中從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。整個(gè)液壓模塊分為以下幾個(gè)部分：液壓源部分、壓力測(cè)試部分、執(zhí)行器、帶單向閥的快換接頭、液壓元件組件及橡膠軟管、液壓元器件。教學(xué)中常用的雙杠順序控制液壓回路如圖4所示。

圖4 度缸順序控制回路

4 實(shí)驗(yàn)裝置PLC控制模塊

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)電氣控制部分的關(guān)鍵是西門(mén)子的可編程控制器，該控制器能利用其內(nèi)部編寫(xiě)存儲(chǔ)的程序?qū)σ簤夯芈愤M(jìn)行循環(huán)掃描控制。控制臺(tái)上方有輸入/輸出指示燈、編程器輸入信號(hào)接口及24V輸出信號(hào)插孔。控制器下方設(shè)有編程器與主實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)妮斎?輸出接口等。輸入/輸出接口采用快捷航空插頭連接，簡(jiǎn)化了PLC控制器與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的具體接線(xiàn)線(xiàn)路等。

本試驗(yàn)臺(tái)所選的S7-200PLC的工作方式為循環(huán)掃描控制。PLC通電工作后，首先進(jìn)行初始化和模塊的檢查，接著按照用戶(hù)程序編寫(xiě)存儲(chǔ)先后順序，CPU開(kāi)始連續(xù)執(zhí)行用戶(hù)程序、任務(wù)的循環(huán)序列，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為掃描。掃描的工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶(hù)程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。根據(jù)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，繪制出PLC系統(tǒng)的外部接線(xiàn)圖，PLC輸入有14個(gè)，輸出有10個(gè)，通過(guò)PLC的程序?qū)崿F(xiàn)不同的動(dòng)作，其接線(xiàn)如圖5所示。

圖5 PLC控制部分電路原理及應(yīng)用圖

多缸順序控制回路，一般應(yīng)用在機(jī)床及其他裝置中，要求一個(gè)或者多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件按照指定的順序進(jìn)行依次執(zhí)行動(dòng)作。如專(zhuān)用機(jī)床的工作臺(tái)的復(fù)位、卡爪夾緊松開(kāi)，十字滑臺(tái)的移動(dòng)等動(dòng)作，這些動(dòng)作需要有一定的順序要求。因此，采用順序回路，以實(shí)現(xiàn)順序動(dòng)作。在操作板上搭建好回路后，在PLC的編程軟件STEP7中編寫(xiě)好程序（如圖6所示），上傳至PLC中后，就可以觀察液壓缸的動(dòng)作，從而達(dá)到學(xué)習(xí)目的。

圖6 多缸順序控制回路梯形圖

5 關(guān)鍵點(diǎn)和創(chuàng)新

將可編程控制器用在多功能液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，再加上傳統(tǒng)的繼電器控制模式，真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液控制模式的多樣化。液壓元件和油路為透明材料制成，液壓元件按結(jié)構(gòu)尺寸制造，仿真效果好，直觀性強(qiáng)，且元件承壓可達(dá)5MPa以上，回路無(wú)泄漏干凈整潔。利用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)液壓回路仿真功能，同時(shí)運(yùn)用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)液壓回路的仿真，提高安全性，能更直觀的體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)繼電器控制的液壓試驗(yàn)臺(tái)只能手動(dòng)控制的問(wèn)題，本課題是將PLC自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用于液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研發(fā)中，不但保留了傳統(tǒng)液壓控制的功能，也增加了PLC自動(dòng)控制的功能，這樣學(xué)生能更直觀的對(duì)傳統(tǒng)控制方式和自動(dòng)控制方式進(jìn)行比較。本課題對(duì)液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在理論和設(shè)計(jì)方面做了一些研究。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的自行研制開(kāi)發(fā)不僅是對(duì)青年教師隊(duì)伍的培養(yǎng)和鍛煉，同時(shí)，所研發(fā)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)效果強(qiáng)，直觀性好，有助于鍛煉和提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力，能夠進(jìn)一步提高液壓相關(guān)課程的教學(xué)效果。

[1]郁漢琪.電氣控制與可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].南京:東南大學(xué)出版社,2010.

[2]劉延俊.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[3]張萬(wàn)忠.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[4]黃志堅(jiān).液壓系統(tǒng)控制與PLC應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2012.

V233.91

A

2096-2789（2016）11-0198-02

南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院校級(jí)課題（njpj2015-2-01）。

吳金文（1984-），男，江蘇南京人，講師，研究方向：機(jī)電一體化。